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1、啤酒生产线杀菌预热区温度控制系统的设计1 概述我国居民对物质需求的不断增长，导致了我国现代工业生产的迅速发展。而伴随着生产过程规模的不断扩大，生产过程自动化已经成为一项庞大的系统工程，生产过程控制系统的结构日益复杂。微电子技术，数据通信技术，网络技术和计算机多媒体技术在生产过程自动化中已经得到日益广泛的应用，过程控制仪表已经向电子化，微型化，数字化和智能化的方向发展；过程控制系统从传统的仪表控制系统向计算机集散控制系统和现场总线控制系统迅速发展已经成为成为不争的事实。过程控制通常是指连续生产过程的自动控制，它是自动化技术最重要的组成部分之一，自动控制的主要任务是对生产过程的有关参数进行控制，使
2、其保持恒定或按一定规律变化，在保持产品质量和生产安全的前提下，使连续型生产过程自动的进行下去。人们要控制一个过程，必须了解过程的特性，过程特性的数学描述就称为过程的数学模型。在控制系统的分析和设计中，过程的数学模型是极为重要的基础资料。过程的特性可从稳态和动态两方面来考察，前者指的是过程在输入和输出变量达到平稳状态下的行为，后者指的是输出变量和状态变量在输入影响下的变化过程的情况。生产过程是由各个环节或工艺设备组成的。各个工艺设备之间必然存在着相互联系和相互影响，因此，在设计简单控制系统时必须要有正确的设计思想，要站在全局自动化的立场上，从整个生产过程过程出发来考虑问题，从而做到既保证连续生产
3、物料供求关系的协调，又保证产品的数量和质量；既使生产过程能充分发挥设备的潜力，又保证生产过程的安全与可靠。过程控制系统分为多种，有简单控制系统和复杂控制系统，而复杂过程控制系统又可分为：串级控制系统、前馈控制系统、比值控制系统和均值控制系统等几种。在本次控制系统的选择中，因为设计题目要求是：对啤酒生产线的杀菌过程中的预热区的温度控制系统进行设计，所以本着简单、实用的原则我把它设计成一个简单的单回路系统来满足题目要求。2 啤酒杀菌过程及方法简介过去的20年是我国啤酒产销量高速增长的时期，从2002年起我国成为第一大啤酒生产和销售国。随之而来的是消费者对啤酒口感的要求愈来愈高,啤酒的口感是啤酒质量
4、的一个重要标志性指标，其影响因素很多，除原料、酿酒工艺、罐装工艺以及各生产环节的卫生处理状况外，杀菌工艺也是一个非常重要的因素。杀菌工艺不仅影响到啤酒的口味，同时也影响到啤酒的保质期。因此杀菌工艺是啤酒生产过程中一道非常重要的工序。目前普遍采用的是巴氏杀菌法，它是一种利用较低的温度既可杀死病菌又能保持物品中营养物质风味不变的消毒法。巴氏消毒法是法国微生物学家巴斯德为葡萄酒消毒时发明，并以他的名字来命名的一种消毒方法。指在规定时间内以不太高的温度处理液体食品的一种加热灭菌方法。巴氏消毒的原理是在一定温度范围内，温度越低，细菌繁殖越慢；温度越高，繁殖越快。但温度太高，细菌就会死亡。不同的细菌有不同
5、的最适生长温度和耐热、耐冷能力。巴氏消毒其实就是利用病原体不是很耐热的特点，用适当的温度和保温时间处理，将其全部杀灭。但经巴氏消毒后，仍保存小部分无害或有益、较耐热的细菌或细菌芽孢。根据杀菌温度，处理时间及玻璃瓶受热冲击和压力变化的能力，瓶装啤酒杀菌过程由三个温区组成：预热区，过热及保温区，冷却区。加热手段为热蒸汽。本次课程设计主要对预热区温度控制系统进行设计，以满足生产工艺要求。啤酒杀菌流工艺程图如下：图2-1 啤酒杀菌工艺流程图3 温度控制系统介绍温度控制系统是以温度作为被控制量的反馈控制系统。在化工、石油、冶金等生产过程的物理过程和化学反应中，温度往往是一个很重要的参量，需要准确地加以控
6、制。除了这些部门之外，温度控制系统还广泛应用于其他领域，例如啤酒的加工生产。它是用途很广的一类工业控制系统。温度控制系统常用来保持温度恒定或者使温度按照某种规定的程序变化。下图为啤酒预热区温度控制系统原理图：图3-1 啤酒预热区温度控制系统原理图图3-2 温度控制系统结构图如上图所示，温度控制系统由被控对象、测量装置、调节器和执行机构等部分构成。被控对象是一个装置或一个过程，它的温度是被控制量。测量装置对被控温度进行测量，并将测量值与给定值比较，若存在偏差便由调节器对偏差信号进行处理，再输送给执行机构来增加或减少供给被控对象的热量，使被控温度调节到整定值。测量装置是温度控制系统的重要部件，包括
7、温度传感器和相应的辅助部分，如放大、变换电路等。测量装置的精度直接影响温度控制系统的精度，因此在高精度温度控制系统中必须采用高精度的温度测量装置。温度控制系统的执行机构大多采用可控热交换器。根据调节器送来的校正后的偏差信号，调节流入热交换器的热载体（液体或气体）的流量，来改变供给（或吸收）被控对想的热量，以达到调节温度的目的。在一些简单的温度控制系统中，也常采用电加热器作为执行机构，对被控对象直接加热。通过调节电压（或电流）的大小可改变供出的热量。不同的应用部门对温度控制系统品质有不同的要求，并选用不同类型的调节器。如果精度要求不高，可采用两位调节器,一般情况下多采用PID调节器。高精度温度控
8、制系统则常采用串级控制。串级控制系统由主回路和副回路两个回路构成，具有控制精度高、抗干扰能力强、响应快、动态偏差小等优点，常用于干扰强,且温度要求精确的生产过程,如化工生产中反应器的温度控制。多数温度控制系统中被控对象在进行热交换时的温度变化过程，它既是一个时间过程，也是沿空间的一个传播过程，需要用偏微分方程来描述各点温度变化的规律。因此温度控制系统本质上是一个分布参数系统。分布参数系统的分析和设计理论还很不成熟，而且往往过于复杂而难于在工程实际问题中应用。解决的途径有二：一是把温度控制系统作为时滞系统来考虑。时滞较大时采用时滞补偿调节，以保证系统的稳定性。具有时滞是多数温度控制系统的特点之一
9、。另一途径是采用分散控制方式，把分布参数的被控过程在空间上分段化，每一段过程可作为集中参数系统来控制，构成空间上分布的多站控制系统。采用分散控制常可获得较好的控制精度。4 控制系统的设计过程控制系统设计和应用的两个重要内容：控制方案的设计、选择检测变送器、选择执行机构调节阀、选择调节器和调节器整定参数值的确定等几个部分。4.1 控制系统方案选择设计和应用好一个过程控制系统，首先应全面了解被控制过程，其次根据工艺要求对系统进行研究，确定最佳的控制方案，最后，对过程控制系统进行设计，整定和投运。对于过程控制系统而言，控制方案的选择和调节器参数整定是其两个重要的内容，如果控制方案设计不合理，仅凭调节
10、器参数的整定无法获得良好的控制质量；相反控制方案很好，但是调节器参数整定的不合适，也不能使系统运行在最佳状态。过程控制系统从结构形式可分为单回路系统和多回路系统。单回路控制系统包含一个测量变送器，一个调节器，一个执行器和对象，对对象的某一个被控制参数进行闭环负反馈控制。在系统分析设计和整定中，单回路系统设计方法是最基本的方法，适用于其他各类复杂控制系统的分析，设计，整定和投运。本次温度控制系统设计中啤酒温度被作为被控量，为了使系统变得简单无需设置副被控量，因此采用单回路控制系统即可实现预热区温度的控制。详细的原因将在下一节和串级系统比较中重点介绍。采用单回路控制方式来实现啤酒生产线杀菌预热区温
11、度控制的系统结构如下图：图4-1 单回路控制系统结构图调节器PID调节器执行器气动薄膜式执行器被控对象换能器被控量啤酒温度检测变送器DDZ型热电阻温度变送器4.2 系统控制过程分析温度控制系统的控制阶段主要分为：平衡阶段和抗干扰调节阶段。下面我将分别对这两个阶段进行分析。下图问系统控制图：图4-2 控制图4.2.1 系统动态平衡阶段分析系统由蒸汽给未经杀菌的啤酒传递热量使其保持预热温度。当蒸汽的量和品质不变，未杀菌的啤酒的量和品质也保持不便，则控制系统处于平衡状态，并保持此动态平衡状态，直至有新干扰发生，或人们对被预热区的出口温度T有新的要求。4.2.2 系统抗干扰调节阶段分析该温控系统干扰主
12、要来自：啤酒流量的变化、啤酒温度的变化、蒸汽源不够稳定、蒸汽温度的变化、换能器环境温度的变化。干扰产生的结果主要有：1 啤酒流量的变化：流量上升，出口温度T下降；2 啤酒温度上升，出口温度T上升；3 蒸汽压力上升导致流量的上升，出口温度T上升。无论是由于何种原因，何种干扰，只要它的作用使出口温度T有了变化，控制系统就能通过调节器来克服，使出口温度T回到原来的平衡状态。显然出口温度T只能有两种改变，一种是温度上升，还有一种是温度下降。下面我将分别对这两种变换进行分析：1 温度T上升：当外界干扰使出口温度T上升时，温度变送器的热电阻阻值增加，电流值增大，使反馈测量值Z增大，偏差E因此减小，控制器发
13、挥作用使气动执行器的开度减小，热蒸汽流量减小，使出口温度T下降。2 温度T下降：当外界干扰使出口温度T下降时，温度变送器的热电阻阻值降低，电流值减小，使反馈测量值Z减小，偏差E因此增大，控制器发挥作用使气动执行器的开度增大，热蒸汽流量增大，使出口温度T上升。4.3 单回路与串级控制系统的比较单回路反馈控制系统，又称简单控制系统，是指由一个被控过程、一个检测变送器、一个调节器和一个执行器所组成的对一个被控变量进行控制的单回路反馈闭环控制系统。简单控制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛，尤其适用于被
14、控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。串级控制系统的采用了两个控制器，我们将温度控制器称为主控制器，把流量控制器称为副控制器。主控制器的输出作为副控制器的设定，然后由副控制器的输出去操纵调节阀。在串级控制系统中出现了两个被控对象，即主对象（温度对象）和副对象（流量对象），所以有两个被控参数，主被控参数（温度）和副被控参数（流量）。主被控参数的信号送往主控制器，而副被控参数的信号被送往副控制器作为测量，这样就构成了两个闭合回路，即主回路（外环）和副回路（内环）。串级控制系统的特点，改善了对象特征，起了超前控制的作用；改善了对象动态特性，提高了工作频率；提高
15、了控制器总放大倍数，增强了抗干扰能力；具有一定的自适应能力，适应负荷和操作条件的变化。串级控制系统的设计原则，在选择副参数时，必须把主要干扰包含在副回路中，并力求把更多的干扰包含在副回路中；选择副参数，进行副回路的设计时，应使主、副对象的时间常数适当匹配；方案应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性。串级控制系统的应用场合，被控对象的控制通道纯滞后时间较长，用单回路控制系统不能满足质量指标时，可采用串级控制系统；对象容量滞后比较大，用单回路控制系统不能满足质量指标时，可采用串级控制系统；控制系统内存在变化激烈且幅值很大的干扰；被控对象具有较大的非线性，而负荷变化又较大。串级控制系统应用中的问题，主
16、、副控制器控制规律的选择，串级控制系统中主、副控制器的控制规律选择都应按照工艺要求来进行，主控制器一般选用PID控制规律，副控制器一般可选P控制规律；主、副控制器正、反作用方式的确定，主控制器的作用方向只与工艺条件有关。由于本次温度控制系统设计中啤酒温度被作为被控量，故无需设置副被控量，因此无须采用串级控制回路，采用单回路控制系统即可实现预热区温度的控制。4.4 变送器的选择被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化情况，为系统设计提供准确的控制依据。测量和变送环节的描述：，即：。参数选择原则：减小Tm和m均对提高系统的控制质量有利。若Tm较大，则会使记录曲线与实际参数之间产生较大的动态
17、误差。从减小测量变送环节误差角度考虑，应减少仪表的量程，即增大Km。1 系统设计测量和变送中涉及的问题： 信号滤波； 信号处理； 纯时延问题； 测量时延问题； 信号传递时延问题。2 信号传递时延将降低控制质量。对比可采取以下改善措施： 若测量信号为电信号，可将转换器安装在仪表盘附近，以缩短气压信号的传送距离。 若调节器输出为气压信号，可在5060 m距离间，装一继动器，提高气压信号的传输功率，以减小传递时间。 若调节器输出为电信号，应将转换器安装在调节阀附近，或采用电气阀门定位器。检测变送器包括监测远见和变送器在自动控制系统中被控变量的信号线经过检测变送器专程气信号或者电信号后，才送至调节器。
18、检测元件又称传感器，其作用时将被控变量加以转换，输出一个与之成对应比例关系的信号。由于本次设计中预热区温度为被控量，因此检测元件应选择温度变送器。温度变送器有DDZIII型温度变送器、一体化温度变送器和智能式温度变送器。常见的温度检测仪表有热电偶温度变换器、热电阻温度变换器和辐射式温度计，热电偶温度变换器主要适用于测量500-1800范围的中高温度，热电阻温度变换器主要适用于测量500以下范围的中低温度，辐射式温度计主要适用于测量2000以上的高温。而本次设计中预热区温度要求为411 ，即要求精度为0.2，为节约成本以及达到较高的精度要求，在本次设计中选用DDZIII型温度变送器中的热电阻温度
19、变送器。4.5 调节阀的选择调节阀类型的选择：气动执行器和电动执行器调节阀口径（Dg、dg）大小的选择：主要依据是阀的流通能力。正常工况下要求调节阀开度处于1585之间。调节阀气开、气关形式的选择：主要以安全方面考虑。调节阀流量特性的选择：系统总的放大倍数尽可能保持不变，通常被控过程的特性是非线性的(一阶以上特性)，而变送器、调节器(若比例作用时)和执行机构的放大系数是常数。因此往往通过选择调节阀的流量特性来补偿被控过程特性的非线性，从而达到系统总放大倍数不变的目的。控制阀是自动控制系统中的一个重要组成部分，其作用是根据调节器的输出命令，直接控制能量或物料等介质的输送量达到控制工艺参数的目的。
20、由于控制阀安装在生产现场，长年与生产介质直接接触。且往往工作在高温，高压，深冷，强腐蚀，易堵塞等恶劣条件下。因此，如果对控制阀选择不当或者维护不善。就会使整个控制系统不能可靠工作或严重影响系统的控制质量，根据能源的种类控制阀分为气动，电动和液动三种，其中气动控制阀具有结构简单，工作可靠，价格便宜防火防爆等优点。在自动控制中用得很多。在本次设计当中，我选用气动式。气动执行器以压缩空气为能源，结构简单，输出推力大，动作可靠，性能稳定，价格便宜，本质安全防爆，气动执行器中的气动薄膜式执行器在实际应用中最为广泛，本设计中要求对啤酒温度进行控制，加热手段为热蒸汽，因此可选择气动薄膜式执行器为执行元件。其
21、原理是： 当信号压力通入气室时，推杆产生位移，弹簧受压，直到弹簧产生的反作用力与薄膜上的推力相平衡为止。推杆的位移范围就是执行机构的行程，推杆从零到全行程，阀门就从全开（全关）到全关（全开）。4.6 仪表性能指标的计算4.6.1 精度检测仪表的精度反映测量值接近真实值的准确程度，一般用一系列误差来衡量。1 绝对误差绝对误差指仪表指示值与被测参数真值之间的差值，即：2 引用误差把绝对误差折合成标尺范围的百分数表示，即：3 精度等级按仪表工业规定，去掉最大引用误差的“”号和“%”号，称为仪表的精度等级，目前已系列化。只能从下列数系中选取最接近的合适数值作为精度等级，即0.005，0.02，0.05
22、，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。根据此次设计的啤酒温度要求为411 ，所以选用0.2精度的等级。在确定一个仪表的精度等级时，要求仪表的允许误差应该大于或等于仪表校验时所得到的最大引用误差；而根据工艺要求来选择仪表的精度等级时，仪表的允许误差应该小于或等于工艺上所允许的最大引用误差。这一点在实际工作中要特别注意。4.6.2 灵敏度和灵敏限灵敏度表示仪表对被测参数变化反应的能力，是指仪表达到稳态后输出增量与输入增量之比，即：灵敏限是指引起仪表指针发生可见变化的被测参数的最小变化量。一般，仪表的灵敏限数值不大于仪表允许误差绝对值的一半4.6.3 回差在外界条件不变
23、的情况下，当被测参数从小到大（正行程）和从大到小（反行程）时，同一输入的两个相应输出值常常不相等。两者绝对值之差的最大值 和仪表量程之比的百分数称为回差，也称变差即：回差产生原因：由于传动机构的间隙、运动件的摩擦、弹性元件的弹性滞后等。回差越小，仪表的重复性和稳定性越好。应当注意，仪表的回差不能超过仪表引用误差，否则应当检修。4.7 调节器的选择根据被控过程特性与生产工艺要求，了解调节器控制规律对控制质量的影响，合理选择调节器的控制规律，是过程控制方案设计的重要内容之一。选择调节器的控制规律就是为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合，使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求。P控
24、制规律：适用于控制通道滞后较小，时间常数不太大，扰动幅度较小，负荷变化不大，控制质量要求不高，允许有余差的场合。如贮罐液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽压力的控制等。PI控制规律：引入积分作用能消除余差。适用于控制通道滞后小，负荷变化不太大，工艺上不允许有余差的场合，如流量或压力的控制。PD控制规律：引入了微分，会有超前控制作用，能使系统的稳定性增加，最大偏差和余差减小，加快了控制过程，改善了控制质量。适用于过程容量滞后较大的场合。对于滞后很小和扰动作用频繁的系统，应尽可能避免使用微分作用。PID控制规律：可以使系统获得较高的控制质量，它适用于容量滞后大、负荷变化大、控制质量要求较高的场合，
25、如反应器、聚合釜的温度控制。根据以上分析可知选择PID控制规律能够很好的满足设计要求，故选PID控制规律。4.8 PID参数整定4.8.1 PID控制介绍PID控制器的本质是一个二阶线性控制器，它通过调整比例、积分和微分三项参数，使得大多数的工业控制系统获得良好的闭环控制性能。PID控制器的优点如下： 技术成熟； 易被人们熟悉和掌握； 不需要建立数学模型； 控制效果好； 鲁棒性强。基本PID控制器的理想算式为：式中u(t)调节器的输出；e(t)调节器的输入（常常是设定值与被控量之差，即e(t)=r(t)-c(t)）；Kp调节器的比例放大系数；Ti 调节器的积分时间；Td调节器的微分时间。设u(
26、k)为第k次采样时刻调节器的输出值，可得离散的PID算式为：式中为积分系数， 为微分系数。4.8.2 PID整定方法的选择1 稳定边界法：它属于闭环整定方法，根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据（临界比例度Pm和振荡周期Tm），按经验公式求出调节器的整定参数。 置调节器,比例度，将系统投入运行。 逐渐减小P ，加干扰观察，直到出现等幅减振荡为止。记录此时的临界值Pm和Tm。根据Pm和Tm，按经验公式计算出控制器的参数整定值。表4-1 稳定边界法整定参数计算表注意稳定边界方法在下面两种情况下不宜采用： 临界比例度过小时，调节阀容易游移于全开或全关位置，对生产工艺不利或不容许。例如，一个用燃料油
27、加热的炉子，如果阀门发生全关状态就要熄火。 工艺上的约束条件严格时，等幅振荡将影响生产的安全。2 衰减曲线法它也属于闭环整定方法，但不需要寻找等幅振荡状态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。方法是： 把调节器设成比例作用（，），置于较大比例度，投入自动运行。 在稳定状态下，阶跃改变给定值（通常以5%左右为宜），观察调节过程曲线。 适当改变比例度，重复上述实验，到出现满意的衰减曲线为止。表4-2 衰减比为4：1时整定参数计算表3 经验法 凭经验凑试。 其关键是“看曲线，调参数”。在闭环的控制系统中，凭经验先将控制器参数放在一个数值上，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过程曲线，根据P、 TI
28、 、 TD对过渡过程的影响为指导，对比例度P 、积分时间TI和微分时间TD逐个整定，直到获得满意的曲线为止。经验法的方法简单，但必须清楚控制器参数变化对过渡过程曲线的影响关系。在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往往较为费时。表4-3 控制器整定参数的经验取值范围以上三种工程整定方法各有优缺点。稳定边界法简便而易掌握，过程曲线易于判断，整定质量较好，适用于一般的温度、压力、流量和液位控制系统。但对临界比例度小或者工艺生产约束条件严格，对过渡过程不允许出现等幅振荡的控制系统不适用。衰减曲线法的优点是方法较为准确可靠，而且安全，整定质量也较高。但当外界干扰作用强烈而频繁，或由于仪表、控制阀、工艺上
29、的某种原因而使记录曲线不规则，或难以从曲线判别其递减比和衰减周期的控制系统不适用。经验法简单可靠，能够适用于各种控制系统，特别是干扰频繁、记录曲线不大规则的控制系统。因为是靠经验来整定的，对同一过渡过程曲线可能有不同的认识，从而得出不同的结论，整定质量不一定高。因此这种方法适用于现场经验比较丰富、技术水平比较高的人使用。在本实验中我采用临界比例度法。在仅有纯比例控制作用下，得出比例度P=13.525和等幅振荡周期由表4-1可得出各参数如下表所示：表4-4 参数值表课程设计体会通过学习过程控制系统与仪表这门课程我知道它是一门综合性和实用性很强的课程，但我真正体会到这一点却是在这次课设的过程中。通
30、过本次课程设计 ，我对过程控制系统与仪表这门课有了更加深入的了解，它综合了自动控制技术、传感与检测、等几个学科的知识，要想做好这门课程设计就需要对题目中所涉及的各个知识点有个更好的掌握。本次设计，我所设计的是啤酒生产线杀菌预热区的温度控制系统。刚开始设计时，很多的问题都迎面扑来，让我无从下手。我查阅了和多资料但都无法找到和啤酒生产线有关的资料，后来我转变思路从题目入手通过自己的努力，在老师和同学的帮助，我顺利完成了课设中的任务。在此我要感谢我的指导老师娄老师对我的悉心指导，感谢娄老师在白忙之中给我的帮助。在课程设计的过程中我培养了自己独立工作的能力，给自己的未来树立了信心，我相信它会对我今后的
31、工作、学习、生活产生重要影响，我相信这次的课程设计会让我终身收益！待添加的隐藏文字内容2参考文献1 王再英.过程控制系统与仪表.北京：机械工业出版社.2006年1月2 方康玲过程控制系统武汉：武汉理工大学出版社2002年3 侯志林过程控制与自动化仪表北京：机械工业出版社1999年4 潘立登过程控制技术原理与应用北京：中国电力出版社2007年5 金以慧过程控制北京：清华大学出版社1993年本科生课程设计成绩评定表姓 名林楠性 别专业、班级自动化0604课程设计题目：啤酒生产线杀菌预热区温度控制系统的设计课程设计答辩或质疑记录：问题1、请解释一下副变量对主变量的影响问题2、针对本设计你采用主副调节的理由是什么？成绩评定依据：序号评定项目评分成绩1选题合理、目的明确（10分）2设计方案正确，具有可行性、创新性（20分）3设计结果（例如：硬件成果、软件程序）（25分）4态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）5设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）6答辩（20分）总分最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 2010年 月 日
